掃描電鏡在鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用（下）
掃描電鏡在鋰電池領(lǐng)域的應(yīng)用（上）（點擊了解詳細信息🔎）中，我們就鋰電池顆粒 SEM 形貌表征，粒度、粒形分析等方面介紹了掃描電鏡在鋰電池領(lǐng)域的部分應(yīng)用。
這篇文章將繼續(xù)圍繞臺式掃描電鏡在鋰電池領(lǐng)域的相關(guān)解決方案，幫助鋰電制造商進一步優(yōu)化他們的生產(chǎn)過程。
6. 電池顆粒表面包覆改性研究
正極、負極材料的性能對鋰離子電池的發(fā)展和應(yīng)用有著關(guān)鍵作用，但是其結(jié)構(gòu)相變、電導率低及電解液副反應(yīng)等不利因素仍制約電池性能的進一步提高，而包覆是解決這些問題的有效手段之一。
電池正極材料包覆可以改善其熱穩(wěn)定性及結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，提高粒子表面活性。而通過對負極進行硅炭或硅氧包覆，可增加與電解液的相容性、減少不可逆容量、增加倍率性能。
通過離子研磨將包覆后的電池顆粒“切開”，在飛納臺式掃描電鏡下對包覆層進行直接觀察，是評估包覆效果的最直觀的方法。
· 圖 a 包覆前，b 包覆后低倍， c 包覆后高倍
· 圖 d、g 為不同包覆狀況的兩個石墨顆粒的 BSD 圖像，可以顯示原子序數(shù)襯度，可準確表征硅氧材料的分布
· 通過一體化能譜探測器進行元素 mapping 成像，圖 e、f 顯示硅氧均勻包覆在碳顆粒上；圖 h、i 顯示次顆粒應(yīng)為空包顆粒
7. 電池極片截面分析 -- 研發(fā)及工藝研究
極片的截面分析可以用來對極片厚度進行測量，計算極片孔隙率，研究輥壓參數(shù)是否適當，活性成分，導電劑，粘結(jié)劑的分布。
極片輥壓可以壓縮電芯體積，提高電芯能量密度，降低極片內(nèi)部活物質(zhì)、導電劑、粘結(jié)劑之間的孔隙率，降低電池的電阻提高電池性能。輥壓效果的好壞既考驗輥壓參數(shù)，更考驗顆粒的抗輥壓能力。
輥壓參數(shù)選擇需要適當。若壓實太小，則極片電阻大，電池內(nèi)阻升高，壽命縮短。若壓實過大，則活物質(zhì)顆�？赡軙粔核�。
同時，選擇抗輥壓能力強的顆粒也很關(guān)鍵。圖 a 為一個輥壓案例，其中可見部分 NMC 二次顆粒已經(jīng)被徹底壓碎（紅圈），但也有顆粒即便壓入鋁箔內(nèi)，也未破碎（黃圈）。需要檢查材料的均勻性，或優(yōu)化混料配方。
為了保證電極有良好的充放電性能，在極片制作時通常加入一定量的導電劑，提供電子傳輸?shù)耐ǖ�。理想的導電劑�?yīng)該均勻分散在活性物質(zhì)之間，并與活性物質(zhì)顆粒表面緊密接觸，才可使電子能夠有效參與脫 / 嵌鋰反應(yīng)。
圖 b 發(fā)現(xiàn)導電劑的分布發(fā)生明顯的大規(guī)模團聚，勢必降低其他位置的分布濃度，影響電池性能。
圖 c 為飛納電鏡能譜一體機表征的電芯極片內(nèi)電極斷面的元素結(jié)果。觀察電池極片斷面涂布狀態(tài)，可對極片分散劑和添加劑的分布均勻性進行評估。
8. 極片異物分析
在生產(chǎn)環(huán)節(jié)，需要對極片進行人工目檢或機器視覺自動檢測檢查極片質(zhì)量。對于發(fā)現(xiàn)的異常都需要及時進行分析，找出異常的根本原理，進而對工藝進行改進甚至更換原材料。
在以下案例里，用戶在輥壓后的極片表面發(fā)現(xiàn)了白色可見異常斑點（圖 a）。白斑可能會對電池的電化學性能有直接影響，但它更多地揭示了漿料的質(zhì)量問題：均勻性或清潔度。因此，必須徹底檢查并解決這一問題。經(jīng)過 EDS 檢查，未發(fā)現(xiàn)任何外來元素。但顯示出此位置的 Ni-Co-Mn 更集中（圖 d，e，f），同時發(fā)現(xiàn) C 濃度也比較高（圖 c）。C 可能來自導電劑（炭黑，有時是碳納米管）或粘合劑。通過 3D（圖 g），我們可以清楚地通過飛納電鏡看到這個白點是凸起物。
綜合以上所有結(jié)果：此處并未發(fā)現(xiàn)外來異物元素。粘結(jié)劑的分布不勻引起了電池顆粒的二次團聚或硬性沉淀，并在涂覆過程中就產(chǎn)生了一個凸起或麻點。輥壓的壓平過程使得此處的密度更高，因此此處能譜顯示為更高的 Ni，Co，Mn 以及 C 的集中分布。在后續(xù)的分析中，我們在涂覆后（輥壓前）的極片表面發(fā)現(xiàn)了麻點，3D 分析結(jié)果顯示此處麻點的高度達到了 11 μm（圖 h）。
9. 充放電循環(huán)后或失效后電池顆粒晶間開裂檢查
人們普遍認為 NCM 或 NCA 等層狀過渡金屬氧化物正極材料的電池失效機理為：正極多晶顆粒內(nèi)部存在大量晶界，在電池充放電過程中，由于各向異性的晶格變化，多晶顆粒容易出現(xiàn)晶界開裂。二次顆粒中形成的微裂縫導致阻抗增加、活性材料減少；同時，電解液滲透進入裂縫中發(fā)生反應(yīng)，最終導致電池容量衰減。因此，顆粒碎裂表征成為科研工作者改善正極材料性能的切入點。
倫敦大學學院的 Paul R. Shearing 教授在 AEM 期刊上發(fā)表了題為“Identifying the Origins of Microstructural Defects Such as Cracking within Ni-Rich NMC811 Cathode Particles for Lithium-Ion Batteries”的文章，深入研究了裂痕出現(xiàn)的 3 個根源：
1. 絕大多數(shù)電極顆粒均存在無法忽略的原生缺陷（如前文案例 5 所述）
2. 極片輥壓引起的裂紋的擴展，甚至壓碎（如前文案例 7 所述）
3. 循環(huán)脫嵌鋰過程中晶體收縮、膨脹引起的初級顆粒間的分離和接觸程度的下降，會造成裂紋的進一步拓展。
下圖為飛納電鏡拍攝的不同循環(huán)階段的裂紋產(chǎn)生于拓展情況，可見裂紋源于顆粒的核心區(qū)域，隨著循環(huán)次數(shù)的升高逐漸向顆粒表面擴散。電池顆粒的晶間裂紋最終引起鋰離子路徑的延長甚至失效，導致電池容量衰減。
10. 全自動清潔度分析
可自動識別并統(tǒng)計各類金屬異物，尤其對行業(yè)內(nèi)普遍關(guān)注的 Cu、 Zn 異物會著重分析，最終生成統(tǒng)計報告，對清潔度評估和金屬異物來源分析與管控有重要作用。
全面檢測 / 評估鋰電池原材料及生產(chǎn)環(huán)境中的異物。通過 Phenom ParticleX 臺式掃描電鏡全自動掃描，可觀察到異物顆粒的形態(tài)及大小、異物顆粒的種類及數(shù)量定性定量。納米級顆粒也毫無遺漏。
異物顆粒自動統(tǒng)計分析流程設(shè)計，一鍵自動開始
相關(guān)閱讀
鋰電行業(yè)都在關(guān)注丨電池材料清潔度檢測新方案
飛納電鏡擁有鋰電池領(lǐng)域綜合解決問題的能力，如果您有相關(guān)的問題或應(yīng)用需求，歡迎隨時與我們聯(lián)系。
